Qué significa nueva física más allá del modelo estándar

Dibujo20130825 Standard Model 4 generations - emmynoethercms uni-hamburg de

El modelo estándar (SM) nació en 1973 con dos generaciones de fermiones (SM2), la segunda aún incompleta (el quark charm se descubrió en 1974). La tercera generación de partículas (SM3) fue física más allá del modelo estándar, en su momento (el quark botttom y el leptón tau se descubrieron en 1977, el quark top en 1995 y el neutrino tau en 2000), pero hoy en día se asume que el modelo estándar tiene tres generaciones. ¿Será nueva física más allá del modelo estándar el descubrimiento de una cuarta generación de fermiones? En mi opinión, el modelo SM4 será llamado así durante pocos años y acabará volviendo a ser llamado SM, a secas.

Cuando nació el modelo estándar se pensaba que los neutrinos no tenían masa. En 1998 se descubrió física más allá del modelo estándar, la oscilación de sabor de los neutrinos (hoy en día confirmada fuera de toda duda). Para muchos físicos la masa de los neutrinos ya no es física más allá del modelo estándar, sino una parte íntegra del SM3, aunque no sabemos cuál es la forma correcta de incorporar la masa de los neutrinos (pues no sabemos si son partículas de Dirac, Majorana o una mezcla, y si su jerarquía de masas es normal o invertida; si todo va bien en un par de años lo sabremos). Si al final resulta que los neutrinos son partículas de Dirac y que su jerarquía de masas es normal, en mi opinión, seguiremos hablando de modelo estándar SM3, sin más coletillas.

Dibujo201308125 Instantons are Locally Correlated with the Chiral Condensate - bu edu

El modelo estándar es una teoría no lineal (toda teoría de campos gauge no abeliana es no lineal) y predice fenómenos no lineales que aún no han sido observados (porque son raros y débiles ya que están exponencialmente suprimidos). Estas predicciones del modelo estándar dan lugar a configuraciones topológicas no triviales de los campos, siendo las más conocidas los monopolos magnéticos y los instantones; aún no han sido observados, pero no se conoce ninguna ley física que prohíba su existencia. Estos fenómenos no perturbativos no pueden representarse con diagramas de Feynman e implican violaciones de los números bariónico y leptónico. Los muy optimistas creen que podrían mostrarse en las colisiones a 14 TeV c.m. en el LHC, aunque quizás haya que esperar a un futuro HL-LHC. Hoy en día se incluyen estos fenómenos en las búsquedas de física exótica y más allá del modelo estándar, pero lo cierto es que si acaban siendo descubiertos engrosaran el gran número de predicciones confirmadas del modelo estándar.

Todavía no entendemos bien el confinamiento de los quarks predicho por la cromodinámica cuántica (QCD) y no conocemos ninguna razón que impida que existan los hadrones exóticos. Todos los hadrones conocidos están formados por tres quarks de diferente color (bariones) o por un pareja quark-antiquark (mesones). Los hadrones exóticos son estados confinados de cuatro, cinco o más quarks. Se han observado algunas resonancias que podrían ser hadrones exóticos, aunque también podrían ser “moléculas” de hadrones, estados ligados de mesones con mesones, o de mesones con bariones. También pueden existir las glubolas, estados confinados de gluones (con pares quark-antiquark virtuales), sin quarks de valencia, y otros estados exóticos. Estos fenómenos de física exótica son considerados física más allá del modelo estándar por algunos físicos, pero muchos otros creemos que sólo reflejan nuestra ignorancia de todas las predicciones de la QCD.

En resumen, la búsqueda desesperada de nueva física más allá del modelo estándar incita a mucha gente a hablar de “pesadilla” cuando no se encuentra, pero en mi opinión no debemos matar la gallina de los huevos de oro antes de tiempo; hay mucha física dentro del modelo estándar que aún no ha sido descubierta, e incluso mucha física descubierta que aún no ha sido explorada con todo detalle. Los próximos años serán apasionantes porque nos desvelarán muchos fenómenos predichos por el modelo estándar; cuando sean descubiertos mucha gente hablará de física más allá del modelo estándar, pero llegará un momento en que serán aceptados como parte íntegra del modelo estándar, porque lo son. Tiempo al tiempo.

10 pensamientos en “Qué significa nueva física más allá del modelo estándar

  1. Esta muy bien esta entrada, tienes toda la razòn, pero hay que esperar los resultados de las investigaciones que se realizan para poder tener conclusiones que nos lleven a poder afirmar que existe nueva fìsica despuès del SM.

  2. Hola Francis. Tengo dos dudas:

    “Si al final resulta que los neutrinos son partículas de Dirac…”

    No entiendo como un neutrino puede ser un espinor de Dirac. En cuatro dimensiones, un espinor de Dirac es reducible (por ejemplo a dos espinores de Weyl) con lo que deberia representar dos particulas elementales con quiralidad opuesta, y no una. Que me estoy perdiendo?

    “Estas predicciones del modelo estándar dan lugar a configuraciones topológicas no triviales de los campos…”

    Que es una “configuracion topológica no trivial de campos”?

    Gracias.

    • Kac, si los neutrinos son partículas de Dirac obtendrían masa como los leptones cargados y los neutrinos derechos no han sido observados porque serían neutrinos estériles; de hecho, la matriz PMNS para las componentes izquierdas y derechas puede diferir y se puede apelar a un mecanismo de balancín (see-saw) para hacer que la masa de las componentes derechas de los neutrinos sea mucho mayor que la de las componentes izquierdas.

      En teoría de solitones se habla de soluciones topológicas o kinks (¿conoces la ecuación de sine-Gordon?) cuando los valores asintóticos de la solución corresponden a diferentes vacíos del campo (si prefieres, a diferentes condiciones de contorno en infinito) y por tanto hay una “carga” (llamada topológica) asociada a dichas soluciones (que “cuenta” los saltos entre los vacíos). Estas soluciones en QFT se suelen llamar “configuraciones topológicas no triviales” porque no son partículas en sentido estricto, sino “soluciones localizadas.” En cuanto al término “no trivial,” son triviales las soluciones no lineales que asintóticamente tienen un único vacío del campo (que en QFT decaen en partículas, no son robustas y no se observan).

      Tienes definiciones rigurosas en cualquier libro de solitones en QFT. Dos libros bastante elementales y fáciles de conseguir son R. Rajaraman, “Solitons and Instantons: An Introduction to Solitons and Instantons in Quantum Field Theory,” y Erick J Weinberg, “Classical solutions in quantum field theory: solitons and instantons in high energy physics,” pero hay muchos otros.

      • Un pequeño detalle, ‘derecho’ me ha resultado un poco raro, mejor “levógiro” y “dextrógiro” :)

  3. Si por poder ser, puede ser. Pero tú me dirás, ¿de dónde saco yo 14 TeV para confirmarlo? No nos queda otra que confiar en los resultados de otros.

  4. Si una partícula es estéril porque carece de masa, ¿por qué el fotón, que no tiene masa, no es estéril?

    • Artemio, un neutrino (dextrógiro) es estéril porque interacciona de forma débil más débilmente que un neutrino (levógiro). Tener o no tener masa no influye.

  5. “y los neutrinos derechos [dextrógiros] no han sido observados porque serían neutrinos estériles”…

    Entonces esos neutrinos dextrógiros que no han sido observados y por tanto son estériles, ¿cómo se acomodan en la interacción débil? ¿Hay una referencia indirecta vía resonancia de la existencia de esas partículas?

  6. Hola, según la web de ‘symmetry (Physicists chart path forward)’ las preguntas a responder también serían:

    • The Higgs particle is unlike any other particle we have ever encountered. Why is it different? Are there more?

    • Neutrinos are very light, elusive particles that change their identity as they travel. How do they fit into our understanding of nature?

    • The known particles constitute one-sixth of all the matter in the universe. The rest we call dark matter. But what is it? Can we detect these particles in our labs? Are there other undiscovered particles in nature?

    • There are four known forces in nature. Are these manifestations of a single unified force? Are there unexpected new forces?

    • Are there new hidden dimensions of space and time?

    • Both matter and anti-matter were produced in the big bang, but today our world is composed only of matter. Why?

    • Why is the expansion of the universe accelerating?

    • Why is the expansion of the universe accelerating?

    Y en esta misma web ‘symmetry (Neutrinoless double beta decay)’ hablan de la masa de los neutrinos:

    “Neutrinoless double beta decay is intriguing because, by itself, the Higgs described by the Standard Model cannot give mass to this type of completely neutral neutrino.”

    Interesante pero que muy interesante el futuro próximo de la física de partículas,

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